電気炉の屋根リングの故障を経験したことのある操業者なら、その損失の大きさをよく知っているだろう。屋根リングが故障すると、熱がすべて失われる。熱だけでなく、生産スケジュール、下流の鋳造機、圧延機もすべて停止してしまう。
モンテ・インテリジェンス社は、アジア、中東、アフリカの製鉄所に電気炉用ルーフリングを供給してきました。これらのプロジェクトを通して、何が効果的で何が効果的でないかを学びました。この記事では、その現場経験をご紹介します。
電気炉の屋根リングは、3つの過酷な環境が交わる場所に位置しています。下からはアークからの直射日光にさらされ、高温部では1700℃を超えることもあります。側面からは、それぞれ数トンもの重さがあり、溶融中に振動する電極の機械的負荷を支えています。そして内部からは、通常の鋼材であればひび割れてしまうような熱サイクルにも耐え、漏れのない状態を保たなければならない通路を通して冷却水を流しています。
材料選定は、ベースとなる鋼材から始まります。ほとんどの屋根リングは、水冷パネルにAISI 304または316ステンレス鋼を使用しています。304と316のどちらを選ぶかは、冷却水中の塩化物含有量という1つの問題に尽きます。処理済みの水を使用する密閉ループシステムであれば、304で十分です。水質が変動する河川や井戸からの貫流冷却を使用する場合は、2～3%のモリブデン含有量を持つ316の塩化物孔食耐性が、最初の1年でその価値を発揮します。汽水域の冷却水では、304製の屋根リングが6か月以内にピンホール漏れを起こしたのに対し、同じ工場で316製のリングは3年間持ちこたえた事例があります。
耐火材デルタ（3つの電極ポート間の三角形部分）は、ルーフリングの破損が最も多く発生する箇所です。この部分は、最も強い放射熱を受け、水冷鋼と耐火材表面間の温度勾配が最も大きくなります。従来の方法では、高アルミナレンガ（Al2O3含有量85～90%）を使用しており、通常の運転条件下では良好な耐用年数が得られます。しかし、炉が長時間アーク運転を行う場合や、スクラップ混合物に高濃度の直接還元鉄（DRI）とそれに伴う発泡スラグが混入する場合、デルタ耐火材は大きなダメージを受けます。
こうした条件下において、デルタ地帯にはマグネシアカーボンレンガをお勧めします。MgO-Cレンガは、マグネシアの高い耐火性（融点2800℃）とカーボンの耐スラグ性を兼ね備えています。また、カーボンは熱伝導性にも優れているため、熱負荷をより均一に分散させ、高アルミナレンガ単体と比較してホットスポット温度を50～80℃低減します。ただし、コスト面ではMgO-Cレンガは高アルミナレンガより約40%高価ですが、耐用年数が長くなるため、追加投資に対して通常2対1のリターンが得られます。
水冷設計は、適切なルーフリングと優れたルーフリングを分ける重要な要素です。重要なパラメータは、冷却通路を流れる水の流速です。流速が毎秒1.5メートル未満の場合、高温部で核沸騰が発生し、鋼材を冷却水から遮断する蒸気ポケットが形成される危険性があります。蒸気が発生すると、鋼材の温度は数秒で200℃も急上昇し、熱疲労による亀裂につながる可能性があります。当社では、すべてのルーフリング通路において最低でも毎秒2.0メートルの水流速度を確保し、熱流束が最も高い電極ポート部では毎秒2.5～3.0メートルの流速となるよう設計しています。
流量分布は総流量と同じくらい重要です。冷却が不均一な屋根リングでは、構造全体に温度勾配が生じます。これらの勾配によって熱膨張率の差が生じ、溶接部に機械的応力が発生します。まさに応力が発生したくない箇所です。当社では、計算流体力学（CFD）モデリングを用いて、リングの製造開始前にすべての水路が設計流量を満たしていることを確認しています。
デルタ構成、つまり屋根上の電極ポートの配置方法は、電気性能と耐火材寿命の両方に影響します。標準的なデルタ構成では、3つの電極が正三角形の頂点に配置されます。3つの電極の中心を通る円の直径であるピッチ円直径（PCD）は、重要な設計パラメータです。PCDが小さすぎると、アークによって側壁が過度に加熱されます。PCDが大きすぎると、電極間の低温部分が未溶解のスクラップブリッジを形成します。
一般的な50トン電気炉の場合、PCD（電極間距離）は変圧器の出力に応じて700～900mmの範囲となります。出力が高いほど、アークが長くなり放射熱の照射範囲が広がるため、より大きなPCDで運転できます。屋根リングは、選択されたPCDに対応しつつ、電極ポートと外殻の間に適切な耐火材の厚さを確保する必要があります。通常、電極ポートと屋根リングの内径の間には、最低150mmの耐火材の厚さを指定しています。
電極ポートのシールは特に注意が必要です。電極ポート周辺の隙間はすべて、高温ガスが漏れ出し、空気が侵入する経路となります。空気の侵入は、電極から炭素が燃焼し、鋼材に窒素が混入するため、特に問題となります。適切に設計されたルーフリングには、調整中に電極が上下に動く際に電極との接触を維持するメカニカルシール（グラファイトリングまたはスプリング式ステンレス鋼リング）が組み込まれています。シールは、電極の動きに対して半径方向に約5mmのクリアランスを確保しつつ、ガス漏れ率を2～3%以内に抑える必要があります。
設置と位置合わせは、現場での実践と工学理論が分かれる部分です。設計図上で完璧に設計されたルーフリングでも、わずか3mmのずれで設置すると数週間以内に破損する可能性があります。リングは炉本体に対して完全に水平に設置する必要があります。少しでも傾きがあると、耐火材への負荷が不均一になり、水の流れも不均一になります。当社では、常に機械加工された基準面を備えたルーフリングを出荷しており、炉本体のフランジに適合する位置合わせピンも付属しています。現場作業員は、取り付けボルトを締め付ける前に、リングの周囲4箇所で精密水準器（精度0.02mm/m）を使用して水平度を確認する必要があります。
メンテナンス間隔は運転方法によって異なります。通常の運転条件（1日20回の加熱、一般的なスクラップ混合）では、200回の加熱ごとに耐火材のデルタを点検してください。元の耐火材の厚さの50%を超える浸食深さ、3mmを超える亀裂、電極ポート端部の剥離がないか確認してください。水冷式パネルは、500回の加熱ごとに運転圧力の1.5倍の圧力で耐圧試験を実施してください。15分間で圧力が5%以上低下したパネルは取り外して修理してください。
MONTE INTELLIGENCEの屋根リングは、通常の運転条件下で最低2000回の加熱に耐えるように設計されています。実際の使用寿命は、用途によって1800回から3500回まで幅があります。この寿命の差は、前述の運転方法、すなわち水質、耐火材の選定、およびアライメントの正確性に起因します。
電気炉の屋根リング交換や新規炉建設をご検討されている場合は、helenxu@cnlymonte.comまで弊社のエンジニアリングチームにご連絡ください。お客様の炉の構成、スクラップの種類、生産目標に基づいた詳細な技術提案をご提供いたします。
